Токсин коклюша: структура, функция и роль в патогенезе
Pertussis toxin
Токсин коклюша (PT): роль в развитии коклюша, колонизации дыхательных путей и потенциальное терапевтическое применение при гипертонии и аутоиммунитете.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Группа токсинов
Group of toxins
Токсин коклюша (PT) – это белковый экзотоксин типа AB5, продуцируемый бактерией Bordetella pertussis, вызывающей коклюш. PT играет роль в колонизации дыхательных путей и установлении инфекции. Исследования показывают, что PT может обладать терапевтическим потенциалом в лечении ряда распространенных заболеваний человека, включая гипертонию, вирусные инфекции и аутоиммунные заболевания.
Pertussis toxin (PT) is a protein based AB5 type exotoxin produced by the bacterium Bordetella pertussis, which causes whooping cough. PT is involved in the colonization of the respiratory tract and the establishment of infection. Research suggests PT may have a therapeutic role in treating a number of common human ailments, including hypertension, viral infection, and autoimmunity.
История
ПТ играет центральную роль в патогенезе коклюша, хотя это было обнаружено лишь в начале 1980-х годов. Коклюш появился относительно недавно по сравнению с другими эпидемическими инфекционными заболеваниями. Самое раннее упоминание о коклюше, или спазматическом кашле, относится к вспышке в Париже в 1414 году. Это было опубликовано в книге Мултона «Зеркало здоровья» в 1640 году. Другая эпидемия коклюша произошла в Париже в 1578 году и была описана современником, Гийомом де Байлу. К середине XVIII века коклюш был хорошо известен по всей Европе. Жюль Борде и Октав Генгу в 1900 году описали обнаружение нового «овоидного бацилла» в мокроте 6-месячного младенца с коклюшем. Они также первыми культивировали Bordetella pertussis в Институте Пастера в Брюсселе в 1906 году. Одним из различий между различными видами Bordetella является то, что B. pertussis продуцирует ПТ, а другие виды – нет. Bordetella parapertussis наиболее близка к B. pertussis и поэтому использовалась в исследованиях, определяющих роль ПТ в развитии типичных симптомов коклюша. Исследования на крысах показали, что у крыс, инфицированных B. pertussis, развивается пароксизмальный кашель, характерный для коклюша. Крысы, инфицированные B. parapertussis или мутантом B. pertussis с дефицитом ПТ, не проявляли этого симптома; ни один из этих двух штаммов не продуцировал ПТ.
PT clearly plays a central role in the pathogenesis of pertussis although this was discovered only in the early 1980s. The appearance of pertussis is quite recent, compared with other epidemic infectious diseases. The earliest mention of pertussis, or whooping cough, is of an outbreak in Paris in 1414. This was published in Moulton's The Mirror of Health, in 1640. Another epidemic of pertussis took place in Paris in 1578 and was described by a contemporary observer, Guillaume de Baillou. Pertussis was well known throughout Europe by the middle of the 18th century. Jules Bordet and Octave Gengou described in 1900 the finding of a new “ovoid bacillus” in the sputum of a 6 month old infant with whooping cough. They were also the first to cultivate Bordetella pertussis at the Pasteur Institute in Brussels in 1906. One difference between the different species of Bordetella is that B. pertussis produces PT and the other species do not. Bordetella parapertussis shows the most similarity to B. pertussis and was therefore used for research determining the role of PT in causing the typical symptoms of whooping cough. Rat studies showed the development of paroxysmal coughing, a characteristic for whooping cough, occurred in rats infected with B. pertussis. Rats infected with B. parapertussis or a PT deficient mutant of B. pertussis did not show this symptom; neither of these two strains produced PT.
Структура
Большая группа бактериальных экзотоксинов известна как "токсины А/В", главным образом потому, что они состоят из двух субъединиц. Субъединица "А" обладает ферментативной активностью и доставляется в клетку-хозяина после конформационных изменений в мембранно-связанной транспортной субъединице "В". Субъединицы организованы в структуру А-В: компонент А является ферментативно активным и формируется из субъединицы S1, а компонент В представляет собой рецептор-связывающую часть и состоит из субъединиц S2–S5.
A large group of bacterial exotoxins are referred to as "A/B toxins", in essence because they are formed from two subunits. The "A" subunit possesses enzyme activity, and is transferred to the host cell following a conformational change in the membrane bound transport "B" subunit. The subunits are arranged in A B structure: the A component is enzymatically active and is formed from the S1 subunit, while the B component is the receptor binding portion and is made up of subunits S2–S5.
Механизм патогенеза
PT выделяется из B. pertussis в неактивной форме. После связывания PT с рецептором клеточной мембраны, он поглощается эндосомой, после чего подвергается ретроградной транспортировке в сеть транс-Гольджи и эндоплазматический ретикулум. На каком-то этапе этой транспортировки субъединица А (или протомер) активируется, возможно, под действием глутатиона и АТФ. PT катализирует ADP-рибозилирование αi-субъединиц гетеротримерного G-белка. Это препятствует взаимодействию G-белков с рецепторами, сопряженными с G-белком, на клеточной мембране, тем самым нарушая внутриклеточную коммуникацию. Субъединицы Gi остаются заблокированными в неактивном состоянии, связанном с GDP, и, следовательно, не могут ингибировать активность аденилатциклазы, что приводит к увеличению клеточной концентрации cAMP. Повышенный внутриклеточный cAMP влияет на нормальную биологическую сигнализацию. Токсин вызывает несколько системных эффектов, среди которых увеличение высвобождения инсулина, вызывающее гипогликемию. Неизвестно, ответственны ли эффекты пертуссисного токсина за пароксизмальный кашель. В результате этого уникального механизма PT также широко используется в качестве биохимического инструмента для ADP-рибозилирования GTP-связывающих белков при изучении трансдукции сигналов. Хемокины – это сигнальные молекулы, продуцируемые инфицированными клетками, которые привлекают нейтрофилы и макрофаги. Считается, что хемотаксис нейтрофилов нарушается за счет ингибирования рецепторов хемокинов, сопряженных с G-белком, посредством ADP-рибозилирования белков Gi. Из-за нарушения сигнальных путей, синтез хемокинов будет нарушен. Это предотвратит их продукцию инфицированной клеткой и, тем самым, ингибирует рекрутирование нейтрофилов. В нормальных условиях альвеолярные макрофаги и другие клетки легких продуцируют различные хемокины. Было обнаружено, что PT ингибирует раннюю транскрипцию хемокина, производного от кератиноцитов, воспалительного белка макрофагов 2 и CXC-хемокина, индуцированного LPS. PT, ключевой фактор вирулентности B. pertussis, способен преодолевать гематоэнцефалический барьер, увеличивая его проницаемость. В результате PT может вызывать тяжелые неврологические осложнения; однако недавно было обнаружено, что медицинское применение пертуссисного токсина может способствовать развитию регуляторных T-клеток и предотвращать аутоиммунные заболевания центральной нервной системы, такие как рассеянный склероз.
PT is released from B. pertussis in an inactive form. Following PT binding to a cell membrane receptor, it is taken up in an endosome, after which it undergoes retrograde transport to the trans Golgi network and endoplasmic reticulum. At some point during this transport, the A subunit (or protomer) becomes activated, perhaps through the action of glutathione and ATP. PT catalyzes the ADP ribosylation of the αi subunits of the heterotrimeric G protein. This prevents the G proteins from interacting with G protein coupled receptors on the cell membrane, thus interfering with intracellular communication. The Gi subunits remain locked in their GDP bound, inactive state, thus unable to inhibit adenylate cyclase activity, leading to increased cellular concentrations of cAMP. Increased intracellular cAMP affects normal biological signaling. The toxin causes several systemic effects, among which is an increased release of insulin, causing hypoglycemia. Whether the effects of pertussis toxin are responsible for the paroxysmal cough remains unknown. As a result of this unique mechanism, PT has also become widely used as a biochemical tool to ADP ribosylate GTP binding proteins in the study of signal transduction. Chemokines are signalling molecules produced by infected cells and attract neutrophils and macrophages. Neutrophil chemotaxis is thought to be disrupted by inhibiting G protein coupled chemokine receptors by the ADP ribosylation of Gi proteins. Because of the disrupted signalling pathways, synthesis of chemokines will be affected. This will prevent the infected cell from producing them and thereby inhibiting recruitment of neutrophils. Under normal circumstances, alveolar macrophages and other lung cells produce a variety of chemokines. PT has been found to inhibit the early transcription of keratinocyte derived chemokine, macrophage inflammatory protein 2 and LPS induced CXC chemokine. PT, a decisive virulence determinant of B. pertussis, is able to cross the blood–brain barrier by increasing its permeability. As a result, PT can cause severe neurological complications; however, recently it has been found that the medicinal usage of Pertussis toxin can promote the development of regulatory T cells and prevent central nervous system autoimmune disease, such as multiple sclerosis.
Метаболизм
Известно, что PT диссоциирует на две части в эндоплазматическом ретикулуме (ER): ферментативно активную субъединицу A (S1) и клеточно-связывающую субъединицу B. Эти две субъединицы разделяются протеолитическим расщеплением. Субъединица B подвергается деградации, зависящей от убиквитина, протеазомой 26S. Однако в субъединице А отсутствуют лизиновые остатки, необходимые для деградации, зависящей от убиквитина. Поэтому субъединица PT A не будет метаболизироваться, как большинство других белков. PT термостабилен и устойчив к протеазам, но как только A и B разделены, эти свойства меняются. Субъединица B остается теплостабильной при температуре до 60 °C, но она восприимчива к деградации белка. Субъединица PT A, с другой стороны, менее восприимчива к деградации, зависящей от убиквитина, но нестабильна при температуре 37 °C. Это облегчает разворачивание белка в ER и заставляет клетку транспортировать субъединицу A в цитозоль, где обычно развернутые белки помечаются для деградации. Таким образом, развернутая конформация будет стимулировать транслокацию PT A в цитозоль, опосредованную ERAD. Попадая в цитозоль, он может связываться с NAD и снова формировать стабильный, правильно свернутый белок. Термическая нестабильность также является ахиллесовой пятой субъединицы PT A. Как всегда, существует равновесие между свернутым и развернутым состояниями. Когда белок развернут, он подвержен деградации протеазомой 20S, которая может деградировать только развернутые белки, что связано с повышенной продукцией токсина и, следовательно, с повышенной вирулентностью. Такое распространение было задокументировано во многих странах и иногда, но не всегда, связано с возрождением коклюша в конце 20-го века. Страны с задокументированным распространением ptxP3 включают Австралию, Данию, Финляндию, Иран, Италию, Японию, Нидерланды и Швецию.
PT is known to dissociate into two parts in the endoplasmic reticulum (ER): the enzymatically active A subunit (S1) and the cell binding B subunit. The two subunits are separated by proteolic cleavage. The B subunit will undergo ubiquitin dependent degradation by the 26S proteasome. However, the A subunit lacks lysine residues, which are essential for ubiquitin dependent degradation. Therefore, PT subunit A will not be metabolized like most other proteins. PT is heat stable and protease resistant, but once the A and B are separated, these properties change. The B subunit will stay heat stable at temperatures up to 60 °C, but it is susceptible to protein degradation. PT subunit A, on the other hand, is less susceptible to ubiquitin dependent degradation, but is unstable at temperature of 37 °C. This facilitates unfolding of the protein in the ER and tricks the cell into transporting the A subunit to the cytosol, where normally unfolded proteins will be marked for degradation. So, the unfolded conformation will stimulate the ERAD mediated translocation of PT A into the cytosol. Once in the cytosol, it can bind to NAD and form a stable, folded protein again. Being thermally unstable is also the Achilles heel of PT subunit A. As always, there is an equilibrium between the folded and unfolded states. When the protein is unfolded, it is susceptible to degradation by the 20S proteasome, which can degrade only unfolded proteins. associated with an increased production of the toxin, and thus an increased virulence. Such spread has been documented in multiple countries, and sometimes but not always linked to the resurgence of pertussis in the end of the 20th century. Countries with a documented spread of ptxP3 include Australia, Denmark, Finland, Iran, Italy, Japan, the Netherlands, and Sweden.